MIS结构的能带分布的变化与其电容-电压特性

本周《涨知识啦》主要给大家介绍的是MIS（Metal-Insulator-Semiconductor）结构的能带分布的变化与其电容-电压特性。

图 1  (a) MIS结构示意图  (b) MIS结构等效电路图

首先，图 1给大家展示了MIS结构图及等效电路。根据外加偏压的不同，MIS结构会处于积累、耗尽和反型三种状态。当MIS结构外加偏压Vg后，一部分外加偏压被绝缘层所承担，一部分在半导体表面形成表面势Vs。

图 2 MIS结构不同偏压下能带图

以p型半导体为例，当Vg为负电压时，大量空穴被吸引至半导体表面，如图 2(a)所示，由于绝缘层的阻挡作用，空穴堆积于半导体表面，此时MIS结构处于积累状态。这种情况下的MIS结构的电容如图 3所示，相当于绝缘层平板电容Cox，所以电容值不随外加偏压变化而变化。而当Vg逐渐减小时，此时半导体表面空间电荷区电容Csd与绝缘层电容Cox串联，根据串联电容公式Csd*Cox/(Csd+Cox)，由于Csd不断减小，导致总电容逐渐变小，直至半导体能带被拉平，如图 2(b)。继续减小电压直至外加电压Vg为正时，半导体表面出现载流子耗尽效应，如图 2(c)所示，能带向下弯曲。随着正向电压增大，大量空穴被耗尽，耗尽区宽度增加，导致耗尽区电容减小，进而使总电容逐渐减小。继续增大正向电压，能带进一步向下弯曲，p型半导体表面开始出现反型层，如图 2(d)。相比耗尽情况，半导体表面载流子浓度升高，绝缘层附近耗尽区变小，导致电容增大。当继续增大到强反型情况时，由于反型层中积累的大量电子对外电场的屏蔽作用，耗尽区宽度将达到一个最大值不再变化。而大量电子积聚在半导体表面，使绝缘层附近堆积着大量电荷，所以此时MIS结构电容近似为绝缘层电容。以上就是MIS结构不同偏压下的的能带状态与电容-电压特性的关系。

图3 MIS结构的电容-电压特性曲线

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